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申请/专利权人：南京信息工程大学

摘要：本发明属于光电检测领域，提供了基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统和检测方法，包括氙灯、望远镜、透明气体室、单色仪、光电探测器、光谱仪、光子采集器、激光器和计算机；望远镜与透明气体室一体连接，透明气体室的顶部设有进气阀，透明气体室底部设有放气阀，放气阀与导气管相连接，导气管的出口安装有高压喷头，高压喷头接入到加热玻璃管中，加热玻璃管与抽气机相连接；激光器的发射端面向加热玻璃管设置，光子采集器的探头面向激光在加热玻璃管上的照射点设置，本发明将DOAS与LIBS技术结合，既能测量气体污染物的成分与浓度，同时又能对污染物中的重金属元素实现定性和定量分析，对研究大气污染和防治有着十分重要的意义。

主权项：1.基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统，包括氙灯、望远镜、透明气体室、单色仪、光电探测器、光谱仪、光子采集器、激光器和计算机，其特征在于，所述氙灯产生的光源射入望远镜中，所述望远镜、单色仪、光电探测器和光谱仪之间连接有光纤，光谱仪通过光纤分别与光子采集器和激光器相连接；所述望远镜与透明气体室一体连接，透明气体室中设有角反射镜，所述角反射镜的镜面面向望远镜的光线接收点位置设置，所述透明气体室的顶部设有进气阀，透明气体室底部设有放气阀，放气阀与导气管相连接，导气管上安装有微型高压气泵，导气管的出口安装有高压喷头，所述高压喷头接入到一加热玻璃管中，加热玻璃管与抽气机相连接；所述激光器的发射端面向加热玻璃管设置，所述光子采集器的探头面向激光在加热玻璃管上的照射点设置。

全文数据：基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统和检测方法技术领域本发明属于光电检测领域，具体的是基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统和检测方法。背景技术差分吸收光谱技术DOAS：差分吸收光谱技术是一种光谱监测技术，其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。该方法是利用光线在大气中传输时，大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度。在紫外和近紫外附近，分子的吸收光谱主要是由分子和原子的电子跃迁引起的，该吸收光谱包括慢变的宽带吸收和快变的窄带吸收，去除宽带吸收剩下的窄带吸收后，通常称这个窄带吸收为差分吸收，对应的吸收截面为差分吸收截面。通过比较被测气体的差分吸收光谱和差分吸收截面，利用最小二乘法进行数据拟合，就可以计算出被测气体的浓度，大大地减小了仪器噪声和其它气体对测量结果的影响，使得测量精度和测量下限都有很大的提高。经过一段时间的发展，目前已渐渐成为进行大气污染模式研究和大气污染监测的常用方法之一。DOAS技术的监测范围很广，所测得的气体浓度是几百米到几公里长的光路上的气体浓度的平均值，可以消除某些污染排放源对测量的干扰，使得测量结构更具代表性。同时，由于该方法是非接触性测量，因而可以避免一些误差源的影响，如监测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等，这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度。DOAS技术测量周期短，响应快，并且一台装置可同时测量几种不同气体的质量浓度,这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化规律有着非常重要的意义。同时其采用的光学仪器较稳定，维护量小且运行费用低。该技术对光谱反演算法中剩余光谱成分的分析，在揭示空气中尚未发现的成分方面有很大的潜力。最早的时候DOAS技术专门用于城市、地下通道、工业矿区的有害气体的监测。随着应用范围的不断扩大，DOAS也已经在烟气排放监测领域，发电厂，造纸厂等污染源排放集中的地方得到广泛应用。激光诱导击穿光谱技术LIBS：激光诱导击穿光谱技术是一种新型的物质成分检测与分析技术，它利用激光聚焦在测试位点激发产生等离子体而发光，在激光脉冲作用结束之后,所形成的等离子体伴随着温度的降低不断膨胀。在冷却过程中，处于激发态的原子与离子发生向低能级或基态的跃迁,同时发射出特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度分布代表了分析对象所包含的元素种类和浓度信息，通过分析谱图中元素对应的特征峰强度实现对样品的定性以及定量分析。与传统的元素分析技术相比，LIBS具备许多独特的优点，如样品预处理简单或无需预处理；适合于各种形态物质的分析；激光激发样品无二次污染；近似于无损检测；可进行快速实时现场分析；能够完成表面和逐层原位检测；可以实现非接触式远距离探测；能够应对恶劣环境下的在线分析；仪器操作简单方便等。随着激光技术的发展，LIBS的应用研究日趋成熟，已广泛的应用于冶金工业、地质分析、环境监测、生物医学等领域，特别是在重金属的检测方面，LIBS已经成为一种极具应用前景的物质成分检测技术。如何把两个技术进行结合设计出一套集差分吸收光谱技术DOAS与激光诱导击穿光谱技术LIBS于一体，是一套具有高精准度高分辨率的针对大气污染物中气体成分和重金属元素的在线分析检测系统，对大气中污染物的分析更为全面和具体，以达到实时稳定的连贯性分析的目的，是当前需要做的事情。发明内容本发明针对上述问题设计了基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统，具体方案如下：一种基于DOAS和LIBS技术的大气污染物在线分析检测装置，包括氙灯、望远镜、透明气体室、单色仪、光电探测器、光谱仪、光子采集器、激光器和计算机，所述氙灯产生的光源射入望远镜中，所述望远镜、单色仪、光电探测器和光谱仪之间连接有光纤，光谱仪通过光纤分别与光子采集器和激光器相连接；所述望远镜与透明气体室一体连接，透明气体室中设有角反射镜，所述角反射镜的镜面面向望远镜的光线接收点位置设置，所述透明气体室的顶部设有进气阀，透明气体室底部设有放气阀，放气阀与导气管相连接，导气管上安装有微型高压气泵，导气管的出口安装有高压喷头，所述高压喷头接入到一加热玻璃管中，加热玻璃管与抽气机相连接；所述激光器的发射端面向加热玻璃管设置，所述光子采集器的探头面向激光在加热玻璃管上的照射点设置。进一步，激光器和加热玻璃管之间设有聚焦棱镜组。进一步，所述单色仪与光电探测器之间的光纤上安装有快速扫描装置和检测装置。进一步，所述加热玻璃管的出口处设置有滤膜。基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统的检测方法，具体步骤如下：步骤一，进行DOAS技术检测，打开进气阀使气体进入透明气体室，充满透明气体室后关闭进气阀，打开氙灯使光源射入望远镜中，望远镜的光线接收点接收到照射过气体的反射光线，把该反射光线通过光纤传递至单色仪中，经单色仪分光，照射到单色仪的出射窗口，形成由短波到长波依次排列的一条光谱带，该光谱带再通过光纤进入到光电探测器中，通过光电探测器把光谱带转换为数字信号，再把数字信号通过光纤传入计算机中，通过软件分析可得通入气体的浓度含量；步骤二，进行LIBS计算检测，在完成DOAS技术检测后，打开透明气体室的放气阀，使气体导入到导气管中，经过导气管中的微型高压气泵压缩，再通过高压喷头使气体喷射至加热玻璃管中，同时打开激光器，产生1064nm激光束，经聚焦对加热玻璃管中的高压气流进行消融，使物质表面会瞬间产生高温的等离子体焰，而等离子体状态的物质将迅速的降温跃迁至低能级状态，从而会向外辐射出能量，这些信息通过光子采集器采集，光子采集器把采集到的信息通过光纤发送至光谱仪中，光谱仪把光信号转换为数字信号，再把数字信号通过光纤传入计算机中，通过软件分析可得通入气体的成分组成。和现有技术相比较，本发明的优点在于：1、通过将DOAS技术与LIBS技术相结合，能够利用DOAS技术测量大气中的气体污染物的成分与浓度，同时利用LIBS对大气污染物中的重金属元素实现定性和定量分析，是一套具有高精准度高分辨率的针对大气污染物中气体成分和重金属元素的在线分析检测系统，使得对大气中污染物的分析更为全面和具体，并达到实时稳定的连贯性分析的目的。这对研究大气污染以及大气污染防治有着十分重要的意义。2、差分吸收光谱技术的检测范围广泛，可检测方圆几平方公里的范围，测量结果具有代表性，且其测量周期短、响应速度快，并且能够同时测量多种气体的种类与浓度。对研究大气化学和污染物之间的相互反应有着十分重要的作用。3、激光诱导击穿光谱对加压后的气体可进行快速实时的现场分析，完成了对表面和逐层原位的检测；并实现了非接触式远距离探测，而且在与差分吸收光谱技术结合以后，达到了更好的技术效果，提高了检测的精准度，滤膜收集气体可循环进行二次实验，整体流程操作简单方便，一气呵成。附图说明图1为系统的结构图；图2为检测方法的步骤流程图。附图标记1-氙灯；2-望远镜；3-透明气体室；4-单色仪；5-光电探测器；6-光谱仪；7-光子采集器；8-激光器；9-计算机；10-聚焦棱镜组；11-快速扫描装置；12-检测装置；13-进气阀；14-放气阀；15-微型高压气泵；16-导气管；17-高压喷头；18-加热玻璃管；19-滤膜；20-抽气机；21-第一平面反射镜；22-第二平面反射镜；23-球面反射镜；24-角反射镜。具体实施方式以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易的了解本发明的其他优点和功效。本发明还可通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰和改变。实施例1如图1所示，所述一种基于DOAS和LIBS技术的大气污染物在线分析检测装置，包括氙灯1、望远镜2、透明气体室3、单色仪4、光电探测器5、光谱仪6、光子采集器7、激光器8和计算机9，所述氙灯1产生的光源射入望远镜2中，所述望远镜2、单色仪4、光电探测器5和光谱仪6之间连接有光纤，所述单色仪4与光电探测器5之间的光纤上安装有快速扫描装置11和检测装置12，所述快速扫描装置11和检测装置12实质上为一体结构的探测器装置，通过该装置对气体成分进行快速的检测和分析，用以区分不同气体不同浓度，具有测量周期短，反应快的特点，光谱仪6通过光纤分别与光子采集器7和激光器8相连接，激光器8为YAG激光器，发射出1064nm波长的激光束；所述望远镜2与透明气体室3一体连接，透明气体室3中设有角反射镜24，所述角反射镜24的镜面面向望远镜2的光线接收点位置设置，所述透明气体室3的顶部设有进气阀13，透明气体室3底部设有放气阀14，放气阀14与导气管16相连接，导气管16上安装有微型高压气泵15，导气管16的出口安装有高压喷头17，所述高压喷头16接入到一加热玻璃管18中，所述加热玻璃管18的出口处设置有滤膜19，加热玻璃管18与抽气机20相连接；所述激光器8的发射端面向加热玻璃管18设置，激光器8和加热玻璃管18之间设有聚焦棱镜组10，通过聚焦棱镜组10使激光束聚焦产生高温，所述光子采集器7的探头面向激光在加热玻璃管18上的照射点设置。本发明中所述望远镜2采用Cassegrain望远镜和牛顿望远镜相结合的一种结构，氙灯1光源发出的光经过主光轴成45︒的第一平面反射镜21反射后，照射到两个球面反射镜23上，经过球面反射镜23准直后，平行射入透明气体室3中，被位于透明气体室3中的角反射镜24反射，光线被平行反射，回到望远镜2中，经两个球面反射镜23汇聚后，再由第二平面反射镜22反射，汇聚到位于两个球面反射镜23之间的光线接收点，即光纤位置，经过光纤进入单色仪4。实施例2如图2所示，所述基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统的检测方法，具体步骤如下：步骤一，进行DOAS技术检测，打开进气阀13使气体进入透明气体室3，充满透明气体室3后关闭进气阀13，打开氙灯1使光源射入望远镜2中，望远镜2的光线接收点接收到照射过气体的反射光线，把该反射光线通过光纤传递至单色仪4中，经单色仪4分光，照射到单色仪4的出射窗口，形成由短波到长波依次排列的一条光谱带，该光谱带再通过光纤进入到光电探测器5中，通过光电探测器5把光谱带转换为数字信号，再把数字信号通过光纤传入计算机9中，通过软件分析可得通入气体的浓度含量；步骤二，进行LIBS计算检测，在完成DOAS技术检测后，打开透明气体室3的放气阀14，使气体导入到导气管16中，经过导气管16中的微型高压气泵15压缩，再通过高压喷头17使气体喷射至加热玻璃管18中，同时打开激光器8，产生1064nm激光束，经聚焦对加热玻璃管18中的高压气流进行消融，使物质表面会瞬间产生高温的等离子体焰，而等离子体状态的物质将迅速的降温跃迁至低能级状态，从而会向外辐射出能量，这些信息通过光子采集器采集7，光子采集器7把采集到的信息通过光纤发送至光谱仪6中，光谱仪6把光信号转换为数字信号，再把数字信号通过光纤传入计算机9中，通过软件分析可得通入气体的成分组成。上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉次技术的人士皆可以在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，任应由本发明的权利要求所覆盖。

权利要求：1.基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统，包括氙灯、望远镜、透明气体室、单色仪、光电探测器、光谱仪、光子采集器、激光器和计算机，其特征在于，所述氙灯产生的光源射入望远镜中，所述望远镜、单色仪、光电探测器和光谱仪之间连接有光纤，光谱仪通过光纤分别与光子采集器和激光器相连接；所述望远镜与透明气体室一体连接，透明气体室中设有角反射镜，所述角反射镜的镜面面向望远镜的光线接收点位置设置，所述透明气体室的顶部设有进气阀，透明气体室底部设有放气阀，放气阀与导气管相连接，导气管上安装有微型高压气泵，导气管的出口安装有高压喷头，所述高压喷头接入到一加热玻璃管中，加热玻璃管与抽气机相连接；所述激光器的发射端面向加热玻璃管设置，所述光子采集器的探头面向激光在加热玻璃管上的照射点设置。2.根据权利要求1所述基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统，其特征在于，激光器和加热玻璃管之间设有聚焦棱镜组。3.根据权利要求1所述基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统，其特征在于，所述单色仪与光电探测器之间的光纤上安装有快速扫描装置和检测装置。4.根据权利要求1所述基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统，其特征在于，所述加热玻璃管的出口处设置有滤膜。5.根据权利要求1所述基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，进行DOAS技术检测，打开进气阀使气体进入透明气体室，充满透明气体室后关闭进气阀，打开氙灯使光源射入望远镜中，望远镜的光线接收点接收到照射过气体的反射光线，把该反射光线通过光纤传递至单色仪中，经单色仪分光，照射到单色仪的出射窗口，形成由短波到长波依次排列的一条光谱带，该光谱带再通过光纤进入到光电探测器中，通过光电探测器把光谱带转换为数字信号，再把数字信号通过光纤传入计算机中，通过软件分析可得通入气体的浓度含量；步骤二，进行LIBS计算检测，在完成DOAS技术检测后，打开透明气体室的放气阀，使气体导入到导气管中，经过导气管中的微型高压气泵压缩，再通过高压喷头使气体喷射至加热玻璃管中，同时打开激光器，产生1064nm激光束，经聚焦对加热玻璃管中的高压气流进行消融，使物质表面会瞬间产生高温的等离子体焰，而等离子体状态的物质将迅速的降温跃迁至低能级状态，从而会向外辐射出能量，这些信息通过光子采集器采集，光子采集器把采集到的信息通过光纤发送至光谱仪中，光谱仪把光信号转换为数字信号，再把数字信号通过光纤传入计算机中，通过软件分析可得通入气体的成分组成。

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